30天速通C++(五):模版+STL简介-优快云博客

void Swap(int& left, int& right)
{
   
    int temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
void Swap(double& left, double& right)
{
   
    double temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}
void Swap(char& left, char& right)
{
   
    char temp = left;
    left = right;
    right = temp;
}

使用函数重载虽然可以实现，但是有一下几个不好的地方：

重载的函数仅仅是类型不同，代码复用率比较低，只要有新类型出现时，就需要用户自己增
加对应的函数
代码的可维护性比较低，一个出错可能所有的重载均出错。
那能否告诉编译器一个模子，让编译器根据不同的类型利用该模子来生成代码呢？

这几个函数的逻辑都是一样的。只是类型不同。就像这些铸件一样模版样子都一样，只是浇筑材料不一样。

如果在C++中，也能够存在这样一个模具，通过给这个模具中填充不同材料(类型)，来获得不同
材料的铸件(即生成具体类型的代码），那将会节省许多头发。巧的是前人早已将树栽好，我们只
需在此乘凉。
泛型编程：编写与类型无关的通用代码，是代码复用的一种手段。模板是泛型编程的基础。

2.函数模版

2.1 概念

函数模板代表了一个函数家族，该函数模板与类型无关，在使用时被参数化，根据实参类型产生
函数的特定类型版本。

2.2 格式

template<typename T1, typename T2,......,typename Tn>
返回值类型函数名(参数列表){}

template<typename T>
void Swap( T& left, T& right)
{
T temp = left;
left = right;
right = temp;
}

注意：typename是用来定义模板参数关键字，也可以使用class(切记：不能使用struct代替
class)

2.3. 原理

函数模板是一个蓝图，它本身并不是函数，是编译器用使用方式产生特定具体类型函数的模具。
所以其实模板就是将本来应该我们做的重复的事情交给了编译器

下面我们写一个数据交换的模版

#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
void Swap(T& a, T& b)
{
	T tmp = a;
	a = b;
	b = tmp;
}

那么如果我们在主函数调用函数模版时，编译器会帮我们自动生成对应的数据类型，原理如下:

在编译器编译阶段，对于模板函数的使用，编译器需要根据传入的实参类型来推演生成对应
类型的函数以供调用。比如：当用double类型使用函数模板时，编译器通过对实参类型的推演，
将T确定为double类型，然后产生一份专门处理double类型的代码，对于字符类型也是如此.

2.4函数模版的实例化

用不同类型的参数使用函数模板时，称为函数模板的实例化。模板参数实例化分为：隐式实例化
和显式实例化。
1. 隐式实例化：让编译器根据实参推演模板参数的实际类型

如果我们写了下面这段代码：

#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main()
{
	int a1 = 10, a2 = 20;
	double d1 = 10.0, d2 = 20.0;
	Add(a1, d1);
}

我们会发现，编译代码时会出现问题，通过编译，因为在编译期间，当编译器看到该实例化时，需要推演其实参类型
通过实参a1将T推演为int，通过实参d1将T推演为double类型，但模板参数列表中只有
一个T，
编译器无法确定此处到底该将T确定为int 或者 double类型而报错

此时有两种处理方式：1. 用户自己来强制转化 2. 使用显式实例化

如果是方式一，我们只需要改成下面编译就不会出现问题

注意：在模板中，编译器一般不会进行类型转换操作

2. 显式实例化：在函数名后的<>中指定模板参数的实际类型

那么我们只需要将上面的代码稍微修改即可

#include <iostream>
using namespace std;
template<class T>
T Add(const T& left, const T& right)
{
	return left + right;
}
int main(void)
{
	int a = 10;
	double b = 20.0;
	Add<int>(a, b);
	return 0;
}

如果类型不匹配，编译器会尝试进行隐式类型转换，如果无法转换成功编译器将会报错。

2.5模版的参数匹配机制

1. 一个非模板函数可以和一个同名的函数模板同时存在，而且该函数模板还可以被实例化为这
个非模板函数

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T>
T Add(T left, T right)
{
return left + right;
}
int main()
{
Add(1, 2); // 与非模板函数匹配，编译器不需要特化
Add<int>(1, 2); // 调用编译器特化的Add版本
}

2. 对于非模板函数和同名函数模板，如果其他条件都相同，在调动时会优先调用非模板函数而
不会从该模板产生出一个实例。如果模板可以产生一个具有更好匹配的函数，那么将选择模
板

// 专门处理int的加法函数
int Add(int left, int right)
{
	return left + right;
}
// 通用加法函数
template<class T1, class T2>
T1 Add(T1 left, T2 right)
{
	return left + right;
}
void Test()
{
	Add(1, 2); // 与非函数模板类型完全匹配，不需要函数模板实例化
	Add(1, 2.0); // 模板函数可以生成更加匹配的版本，编译器根据实参生成更加匹配的Add函数
}

3. 模板函数不允许自动类型转换，但普通函数可以进行自动类型转换

3.类模版

3.1 类模板的定义格式

template<class T1, class T2, ..., class Tn>
class 类模板名
{
// 类内成员定义
};

我们根据类模版格式写一个简单的类模版

template<typename T>
class Stack
{
public:
Stack(size_t capacity = 4)
{
_array = new T[capacity];
_capacity = capacity;
_size = 0;
}
void Push(const T& data);
private:
T* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};

注意:模版不建议声明和定义分离到两个文件.h 和.cpp,会出现链接错误

原因如下:

在 C++程序的构建过程中，源代码需要经过预处理、编译、汇编和链接四个主要阶段，最终生成可执行文件。首先是预处理，这个过程包括头文件展开，宏替换，条件编译，去掉注释等，以Linux环境为例，.h文件在这个过程后变成了.i文件，然后是编译，这个过程就是检查语法，生成汇编代码，从.i文件变成.s文件，接下来就是汇编，将汇编代码转化成二进制机器码，从.s文件变成.o文件，最后是链接，就是将目标文件合并在一起生成可执行程序，并且把需要的函数地址等链接上，出现链接错误的具体是出现在编译阶段，当编译器处理 main.cpp（或其他使用模板的源文件）时：它看到了模板的声明（在 .h 文件中），但看不到定义（在 .cpp 文件中）。由于模板是编译时实例化的，编译器无法为 MyTemplate<int> 生成实际的机器码（因为定义不可见）。编译器会假设链接器稍后能找到这些代码，因此不会报错，但是真到链接时候时，编译器找不到模板的具体实现在哪里

3.2 类模板的实例化

类模板实例化与函数模板实例化不同，类模板实例化需要在类模板名字后跟<>，然后将实例化的
类型放在<>中即可，类模板名字不是真正的类，而实例化的结果才是真正的类。

// Stack是类名，Stack<int>才是类型
Stack<int> st1; // int
Stack<double> st2; // double

4.STL简介

4.1 什么是STL

STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的
组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架。学了STL后大家就会发现C++对比C的优势了

4.2 STL的版本

原始版本
Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许
任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原
始版本一样做开源使用。 HP 版本--所有STL实现版本的始祖。
P. J. 版本
由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读
性比较低，符号命名比较怪异。
RW版本
由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C+ + Builder 采用，不能公开或修改，可读性一
般。
SGI版本
由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP版本。被GCC(Linux)采用，可
移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程风格上看，阅读性非常高。

4.3 STL的六大组件

4.4 STL的重要性

开发效率	提供现成的数据结构和算法，减少重复劳动。
高性能	底层优化，算法复杂度明确（如 O(1)、O(log n)）。
安全性	RAII 管理资源，避免内存泄漏；边界检查减少崩溃风险。
可移植性	所有标准 C++ 编译器支持，代码跨平台运行。
扩展性	支持自定义分配器、适配器，与现代 C++ 特性（如 Lambda）无缝结合